(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜：形貌調(diào)控與性能的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在半導(dǎo)體材料的廣闊領(lǐng)域中，氧化鋅（ZnO）薄膜憑借其獨(dú)特的物理性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用前景，占據(jù)著舉足輕重的地位。ZnO是一種直接帶隙寬帶半導(dǎo)體材料，室溫下帶隙寬度約為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV。這種特殊的能帶結(jié)構(gòu)賦予了ZnO諸多優(yōu)異的性能，使其在光電器件、傳感器、太陽(yáng)能電池等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在光電器件領(lǐng)域，ZnO薄膜的高激子束縛能使其在室溫下能夠?qū)崿F(xiàn)高效的激子發(fā)光，為紫外發(fā)光二極管（UV-LED）的發(fā)展提供了有力支持?；赯nO的UV-LED具有發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)療、水凈化、紫外線固化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在傳感器領(lǐng)域，ZnO薄膜對(duì)多種氣體分子具有良好的吸附和反應(yīng)特性，能夠通過(guò)電學(xué)性能的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)，因此被廣泛應(yīng)用于氣體傳感器的制備，可用于檢測(cè)環(huán)境中的有害氣體，如甲醛、氨氣、一氧化碳等，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)和人類健康保障具有重要意義。在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，ZnO薄膜作為透明導(dǎo)電電極或電子傳輸層，能夠提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，為清潔能源的開發(fā)和利用提供了重要的材料基礎(chǔ)。然而，未摻雜的ZnO薄膜存在一些固有的缺陷，如本征缺陷導(dǎo)致的電學(xué)性能不理想、帶隙寬度難以調(diào)節(jié)等問(wèn)題，限制了其在某些高端領(lǐng)域的應(yīng)用。為了進(jìn)一步拓展ZnO薄膜的性能和應(yīng)用范圍，摻雜成為一種有效的優(yōu)化手段。通過(guò)在ZnO晶格中引入特定的雜質(zhì)原子，可以改變其晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜性能的精準(zhǔn)調(diào)控。鎂（Mg）和鈷（Co）作為兩種重要的摻雜元素，在改善ZnO薄膜性能方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Mg的原子半徑與Zn相近，在摻雜過(guò)程中能夠較為容易地進(jìn)入ZnO晶格，取代Zn的位置。由于Mg的電負(fù)性與Zn不同，這種取代會(huì)引起ZnO晶格的局部電荷分布和電子云密度的變化，進(jìn)而對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。研究表明，Mg摻雜可以有效地增大ZnO薄膜的帶隙寬度，使其光學(xué)吸收邊向短波方向移動(dòng)，從而增強(qiáng)對(duì)紫外光的吸收能力，這對(duì)于提高UV-LED等紫外光電器件的性能具有重要意義。同時(shí)，Mg摻雜還能夠改善ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少晶格缺陷，提高薄膜的穩(wěn)定性和可靠性。Co元素的摻雜則為ZnO薄膜帶來(lái)了磁性方面的新特性。Co原子具有未成對(duì)的3d電子，這些電子之間存在著較強(qiáng)的交換相互作用。當(dāng)Co摻雜進(jìn)入ZnO晶格后，會(huì)在ZnO中引入磁性離子，從而使ZnO薄膜展現(xiàn)出鐵磁性或其他磁性行為。這種磁性特性使得ZnO薄膜在自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如可用于制備磁性傳感器、自旋過(guò)濾器、磁存儲(chǔ)器件等。此外，Co摻雜還可能對(duì)ZnO薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能產(chǎn)生協(xié)同影響，進(jìn)一步豐富其性能調(diào)控的可能性。(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的研究，將綜合Mg和Co兩種元素的優(yōu)勢(shì)，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性能的全面優(yōu)化。通過(guò)精確控制Mg和Co的摻雜濃度、比例以及摻雜方式，可以在ZnO薄膜中引入特定的晶體缺陷和電子結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能的多維度調(diào)控。這種共摻雜體系不僅能夠解決單一摻雜存在的局限性，還可能產(chǎn)生新的協(xié)同效應(yīng)，為開發(fā)具有高性能、多功能的ZnO基半導(dǎo)體材料開辟新的途徑。對(duì)(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的形貌調(diào)控及性能研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在科學(xué)意義方面，深入探究共摻雜過(guò)程中Mg和Co原子在ZnO晶格中的占位情況、原子間的相互作用機(jī)制以及對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的影響，有助于揭示半導(dǎo)體材料摻雜改性的微觀本質(zhì)，豐富和完善半導(dǎo)體物理理論。研究共摻雜對(duì)ZnO薄膜形貌的影響機(jī)制，如晶粒生長(zhǎng)、晶界形成、表面粗糙度等，對(duì)于理解材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系具有重要的理論指導(dǎo)意義。從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，通過(guò)優(yōu)化(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的性能，可以為光電器件、傳感器、自旋電子學(xué)器件等領(lǐng)域提供高性能的材料解決方案。在光電器件方面，有望開發(fā)出具有更高發(fā)光效率、更窄發(fā)光帶寬和更好穩(wěn)定性的紫外發(fā)光二極管和激光二極管；在傳感器領(lǐng)域，能夠制備出對(duì)特定氣體具有更高靈敏度和選擇性的氣體傳感器，以及具有更高分辨率和穩(wěn)定性的壓力傳感器和應(yīng)變傳感器；在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的磁存儲(chǔ)器件和邏輯器件提供可能。此外，(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜還可能在其他新興領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、量子信息處理等方面展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值，為解決相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題提供新的材料選擇。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1ZnO薄膜的研究進(jìn)展ZnO薄膜的研究歷史悠久，自20世紀(jì)以來(lái)，隨著材料科學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，ZnO薄膜因其獨(dú)特的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價(jià)值，吸引了眾多科研人員的關(guān)注。早期的研究主要集中在ZnO薄膜的制備方法和基本物理性質(zhì)的表征。通過(guò)不斷探索和改進(jìn)，逐漸發(fā)展出了多種制備ZnO薄膜的方法，如磁控濺射法、脈沖激光沉積法（PLD）、分子束外延法（MBE）、化學(xué)氣相沉積法（CVD）、溶膠-凝膠法（Sol-gel）等。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，為ZnO薄膜的制備提供了多樣化的選擇。在光學(xué)性質(zhì)方面，ZnO薄膜的寬禁帶特性使其在紫外光區(qū)域具有良好的吸收和發(fā)射性能。研究表明，ZnO薄膜的紫外發(fā)射峰主要源于激子復(fù)合，而其可見(jiàn)發(fā)光則與晶體中的缺陷密切相關(guān)。通過(guò)優(yōu)化制備工藝和控制薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，可以有效提高ZnO薄膜的光學(xué)性能，如提高紫外發(fā)光效率、減少可見(jiàn)發(fā)光中的缺陷發(fā)光等。在電學(xué)性質(zhì)方面，ZnO薄膜的導(dǎo)電性受到本征缺陷和雜質(zhì)摻雜的顯著影響。未摻雜的ZnO薄膜通常表現(xiàn)為n型導(dǎo)電，這主要是由于氧空位和間隙鋅等本征缺陷的存在。通過(guò)摻雜不同的元素，可以調(diào)節(jié)ZnO薄膜的電學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)其載流子濃度、遷移率和電阻率等參數(shù)的有效控制。1.2.2ZnO薄膜摻雜的研究現(xiàn)狀為了進(jìn)一步拓展ZnO薄膜的性能和應(yīng)用范圍，摻雜成為一種重要的研究手段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)ZnO薄膜的摻雜進(jìn)行了廣泛而深入的研究，涉及的摻雜元素種類繁多，包括金屬元素、非金屬元素以及稀土元素等。不同的摻雜元素會(huì)對(duì)ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能的多樣化調(diào)控。在金屬元素?fù)诫s方面，Mg摻雜ZnO薄膜的研究較為廣泛。Mg的原子半徑與Zn相近，能夠較好地替代Zn進(jìn)入晶格。研究發(fā)現(xiàn)，Mg摻雜可以顯著增大ZnO薄膜的帶隙寬度，使其光學(xué)吸收邊向短波方向移動(dòng)，從而增強(qiáng)對(duì)紫外光的吸收能力。同時(shí)，Mg摻雜還能改善ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少晶格缺陷，提高薄膜的穩(wěn)定性和可靠性。Co摻雜ZnO薄膜則是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。Co原子具有未成對(duì)的3d電子，摻雜后可使ZnO薄膜展現(xiàn)出磁性。研究表明，Co摻雜ZnO薄膜的磁性與Co的摻雜濃度、分布狀態(tài)以及薄膜的制備工藝密切相關(guān)。通過(guò)精確控制Co的摻雜量和制備條件，可以獲得具有不同磁性的ZnO薄膜，在自旋電子學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值。在非金屬元素?fù)诫s方面，氮（N）摻雜ZnO薄膜是研究的重點(diǎn)之一。N摻雜的目的主要是實(shí)現(xiàn)ZnO薄膜的p型摻雜，以解決ZnO在p-n結(jié)器件應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題。然而，由于N在ZnO中的溶解度較低，且容易形成深能級(jí)缺陷，導(dǎo)致p型摻雜難度較大。目前，通過(guò)改進(jìn)制備工藝和優(yōu)化摻雜條件，已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，如采用分子束外延等先進(jìn)技術(shù)，在一定程度上提高了N在ZnO中的摻雜效率和穩(wěn)定性。在稀土元素?fù)诫s方面，稀土元素由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，具有豐富的能級(jí)和較強(qiáng)的光學(xué)活性。將稀土元素（如Er、Eu等）摻雜到ZnO薄膜中，可以引入新的發(fā)光中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜發(fā)光性能的精確調(diào)控。例如，Er摻雜ZnO薄膜在1.5μm附近具有較強(qiáng)的發(fā)光峰，這在光通信領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值；Eu摻雜ZnO薄膜則可以實(shí)現(xiàn)紅色發(fā)光，在顯示領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。1.2.3(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的研究現(xiàn)狀近年來(lái)，(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的研究逐漸受到關(guān)注。這種共摻雜體系旨在綜合Mg和Co兩種元素的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性能的全面優(yōu)化。一些研究表明，(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的帶隙寬度和磁性可以通過(guò)調(diào)節(jié)Mg和Co的摻雜濃度進(jìn)行有效控制。當(dāng)Mg含量增加時(shí)，薄膜的帶隙增大，對(duì)紫外光的吸收能力增強(qiáng)；而隨著Co含量的增加，薄膜的磁性逐漸增強(qiáng)。同時(shí)，共摻雜還可能產(chǎn)生新的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步改善薄膜的性能。在薄膜形貌方面，(Mg,Co)共摻雜也會(huì)對(duì)ZnO薄膜的晶粒生長(zhǎng)、晶界形成和表面粗糙度產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，合適的共摻雜濃度和制備工藝可以促進(jìn)晶粒的均勻生長(zhǎng)，減小晶界缺陷，從而提高薄膜的質(zhì)量和性能。在電學(xué)性能方面，(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的載流子濃度和遷移率也會(huì)發(fā)生變化，這與共摻雜引起的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。1.2.4研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足目前，雖然國(guó)內(nèi)外在ZnO薄膜的摻雜及性能研究方面取得了豐碩的成果，但仍存在一些不足之處。在摻雜機(jī)制方面，雖然對(duì)單一元素?fù)诫s的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但對(duì)于多元素共摻雜體系，特別是(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜，其摻雜機(jī)制尚未完全明確。共摻雜過(guò)程中Mg和Co原子在ZnO晶格中的占位情況、原子間的相互作用以及對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的影響等方面，還需要進(jìn)一步深入研究。在薄膜性能調(diào)控方面，雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)ZnO薄膜電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性能的初步調(diào)控，但如何實(shí)現(xiàn)對(duì)這些性能的精確、協(xié)同調(diào)控，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，仍然是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。例如，在制備高性能的光電器件時(shí)，需要同時(shí)優(yōu)化薄膜的光學(xué)和電學(xué)性能；在自旋電子學(xué)器件中，則需要精確控制薄膜的磁性和電學(xué)性能。在薄膜的制備工藝方面，雖然現(xiàn)有制備方法能夠制備出高質(zhì)量的ZnO薄膜，但在大規(guī)模制備和工業(yè)化生產(chǎn)方面，仍存在一些技術(shù)難題。例如，如何提高制備過(guò)程的穩(wěn)定性和重復(fù)性，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)薄膜的均勻性和一致性等，都是需要進(jìn)一步研究和解決的問(wèn)題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜展開，重點(diǎn)聚焦于薄膜的形貌調(diào)控及性能研究，旨在深入探索共摻雜對(duì)ZnO薄膜微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響規(guī)律，為開發(fā)高性能的ZnO基半導(dǎo)體材料提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的制備：采用磁控濺射法，以ZnO靶材為基礎(chǔ)，通過(guò)在濺射過(guò)程中引入Mg和Co的靶材或在靶材中預(yù)先摻入Mg和Co元素，精確控制Mg和Co的摻雜濃度和比例，在不同的襯底（如藍(lán)寶石、硅片等）上制備一系列(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜。系統(tǒng)研究濺射功率、濺射時(shí)間、靶基距、工作氣體壓強(qiáng)、氧氣流量等制備工藝參數(shù)對(duì)薄膜生長(zhǎng)速率、結(jié)晶質(zhì)量和成分均勻性的影響，優(yōu)化制備工藝，獲得高質(zhì)量的共摻雜薄膜。(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的形貌調(diào)控：運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和透射電子顯微鏡（TEM）等微觀表征技術(shù)，深入分析不同Mg和Co摻雜濃度及比例下，(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的晶粒尺寸、形狀、取向、晶界結(jié)構(gòu)以及表面粗糙度等形貌特征的變化規(guī)律。研究制備工藝參數(shù)與薄膜形貌之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)調(diào)整制備工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜形貌的有效調(diào)控，如促進(jìn)晶粒的均勻生長(zhǎng)、減小晶界缺陷、優(yōu)化薄膜的表面平整度等，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)薄膜形貌的要求。(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的電學(xué)性能研究：利用霍爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)、四探針電阻率測(cè)試儀等設(shè)備，系統(tǒng)測(cè)量不同摻雜條件下(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的電阻率、載流子濃度和遷移率等電學(xué)參數(shù)。分析Mg和Co共摻雜對(duì)ZnO薄膜電學(xué)性能的影響機(jī)制，探討共摻雜過(guò)程中引入的雜質(zhì)能級(jí)、晶格缺陷以及原子間相互作用對(duì)載流子傳輸?shù)挠绊?。研究電學(xué)性能與薄膜形貌之間的關(guān)聯(lián)，如晶界對(duì)載流子散射的影響，為優(yōu)化薄膜的電學(xué)性能提供理論指導(dǎo)。(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的光學(xué)性能研究：通過(guò)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)、光致發(fā)光光譜儀（PL）等儀器，測(cè)量(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的光學(xué)吸收譜、光致發(fā)光譜等光學(xué)特性。研究Mg和Co共摻雜對(duì)ZnO薄膜帶隙寬度、發(fā)光特性的影響規(guī)律，分析共摻雜導(dǎo)致的能帶結(jié)構(gòu)變化、激子復(fù)合過(guò)程以及缺陷發(fā)光等機(jī)制。探究光學(xué)性能與薄膜形貌和電學(xué)性能之間的協(xié)同關(guān)系，如晶粒尺寸和晶界對(duì)光吸收和發(fā)射的影響，為開發(fā)高性能的光電器件提供材料基礎(chǔ)。(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的磁學(xué)性能研究：使用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）等設(shè)備，測(cè)量不同摻雜濃度和比例的(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的磁滯回線、飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力等磁學(xué)參數(shù)。研究Co摻雜在ZnO薄膜中引入的磁性機(jī)制，以及Mg摻雜對(duì)磁性的協(xié)同影響，分析共摻雜薄膜中的磁相互作用和自旋結(jié)構(gòu)。探討磁學(xué)性能與薄膜形貌、電學(xué)性能和光學(xué)性能之間的潛在聯(lián)系，為自旋電子學(xué)器件的應(yīng)用提供理論依據(jù)和材料選擇。1.3.2研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法：采用磁控濺射法制備(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜，通過(guò)調(diào)整濺射功率、濺射時(shí)間、靶基距、氣體流量等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的精確控制。利用X射線衍射儀（XRD）分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)，確定薄膜的晶相和擇優(yōu)取向；運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）觀察薄膜的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)，測(cè)量晶粒尺寸、表面粗糙度等參數(shù)；借助透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)一步研究薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷分布。通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)量?jī)x測(cè)試薄膜的電學(xué)性能，包括載流子濃度、遷移率和電阻率；使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)和光致發(fā)光光譜儀研究薄膜的光學(xué)性能，如光吸收、光發(fā)射特性；采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量薄膜的磁學(xué)性能，獲取磁滯回線、飽和磁化強(qiáng)度等參數(shù)。理論分析方法：運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，基于密度泛函理論（DFT），使用MaterialsStudio等軟件，構(gòu)建(Mg,Co)共摻雜ZnO的晶體模型，計(jì)算摻雜前后ZnO的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等，從理論上分析Mg和Co共摻雜對(duì)ZnO晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，解釋實(shí)驗(yàn)中觀察到的性能變化。建立薄膜生長(zhǎng)的理論模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析制備工藝參數(shù)對(duì)薄膜形貌和性能的影響規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)和預(yù)測(cè)。利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，建立性能與摻雜濃度、工藝參數(shù)之間的定量關(guān)系，總結(jié)規(guī)律，預(yù)測(cè)性能變化趨勢(shì)。二、ZnO薄膜及摻雜的理論基礎(chǔ)2.1ZnO薄膜的基本性質(zhì)2.1.1晶體結(jié)構(gòu)ZnO晶體在常溫常壓下具有穩(wěn)定的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于六方晶系，空間群為P63mc。這種結(jié)構(gòu)具有六方對(duì)稱性，其晶格常數(shù)a=3.2498?，c=5.2066?。在這種結(jié)構(gòu)中，Zn原子和O原子各自按六方密堆方式排列，每一個(gè)Zn原子位于四個(gè)相鄰的O原子所形成的四面體間隙中，但只占據(jù)其中半數(shù)的O四面體間隙；O原子的排列情況與Zn原子相同，兩種六方密堆晶格在空間相互套構(gòu)形成晶胞。從原子排列的角度來(lái)看，ZnO的結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)單地描述為由Zn原子面和O原子面沿c軸交替排列而成。這種排列方式導(dǎo)致ZnO具有一個(gè)Zn極化面和一個(gè)O極化面，由于這兩個(gè)面的極化分布不同，使得它們具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，也導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)缺乏對(duì)稱中心。這種非對(duì)稱中心結(jié)構(gòu)賦予了ZnO獨(dú)特的壓電性能，當(dāng)在ZnO晶體上施加壓力時(shí)，會(huì)在晶體的特定方向上產(chǎn)生電荷的積累，反之，施加電場(chǎng)時(shí)也會(huì)引起晶體的形變，這一特性在壓電傳感器、表面聲波器件等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。在高壓條件下，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到9Gpa左右時(shí)，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆綆r鹽結(jié)構(gòu)，此時(shí)近鄰原子數(shù)由4增加到6，體積相應(yīng)縮小17%。這種高壓相在壓力消失后會(huì)保持在亞穩(wěn)狀態(tài)，不會(huì)立即重新轉(zhuǎn)變?yōu)榱嚼w鋅礦結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的特性為研究ZnO的高壓物理性質(zhì)以及開發(fā)新型功能材料提供了研究方向。2.1.2能帶結(jié)構(gòu)ZnO是一種直接帶隙寬帶半導(dǎo)體材料，室溫下其禁帶寬度約為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV，遠(yuǎn)大于室溫?zé)崮埽?6meV）。這一特性使得激子在室溫下可以穩(wěn)定存在，為實(shí)現(xiàn)室溫下的高效激子發(fā)光提供了有利條件。從能帶理論的角度來(lái)看，ZnO的能帶結(jié)構(gòu)由價(jià)帶、導(dǎo)帶和禁帶組成。價(jià)帶主要由O原子的2p軌道電子構(gòu)成，導(dǎo)帶則主要由Zn原子的4s軌道電子構(gòu)成。在絕對(duì)零度時(shí)，電子填充在價(jià)帶中，導(dǎo)帶為空帶。當(dāng)外界給予足夠的能量，如光照或加熱時(shí)，價(jià)帶中的電子可以吸收能量躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，從而形成電子-空穴對(duì)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。由于ZnO是直接帶隙半導(dǎo)體，電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的躍遷不需要聲子的參與，因此具有較高的輻射復(fù)合效率，這也是ZnO在光電器件中能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)光的重要原因。其寬禁帶特性使得ZnO對(duì)可見(jiàn)光和紅外光吸收很小，基本上是透明的，同時(shí)其導(dǎo)電性主要不是依賴本征激發(fā)，而是靠附加能級(jí)的電子或空穴激發(fā)。通過(guò)摻雜等手段，可以在ZnO的禁帶中引入雜質(zhì)能級(jí)，從而改變其電學(xué)和光學(xué)性能。例如，摻入施主雜質(zhì)可以增加導(dǎo)帶中的電子濃度，使ZnO表現(xiàn)為n型半導(dǎo)體；摻入受主雜質(zhì)則可以增加價(jià)帶中的空穴濃度，有望實(shí)現(xiàn)p型半導(dǎo)體，這對(duì)于制備ZnO基的p-n結(jié)器件具有重要意義。2.1.3缺陷能級(jí)在ZnO薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中，由于各種因素的影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些本征缺陷。常見(jiàn)的本征點(diǎn)缺陷有鋅填隙（Zni）、鋅空位（VZn）、氧填隙（Oi）、氧空位（VO）、鋅反位（ZnO）、氧反位（OZn）等。這些缺陷的存在會(huì)對(duì)ZnO薄膜的能級(jí)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響。其中，鋅填隙和氧空位的能級(jí)較淺，被認(rèn)為是本征ZnO呈n型導(dǎo)電的主要原因。在制備ZnO材料時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生氧空位VO和鋅填隙Zni，這些本征缺陷會(huì)提供額外的電子，使ZnO呈現(xiàn)n型導(dǎo)電性，因此n型摻雜相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)且載流子濃度較易控制。然而，ZnO的p型摻雜卻十分困難，這主要是因?yàn)槭苤鞯墓倘芏容^低，而且ZnO中的諸多本征施主缺陷會(huì)產(chǎn)生高度的自補(bǔ)償效應(yīng)。例如，當(dāng)試圖摻入受主雜質(zhì)時(shí)，本征施主缺陷（如氧空位和鋅填隙）會(huì)補(bǔ)償受主引入的空穴，使得實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的p型導(dǎo)電變得困難。而且ZnO受主能級(jí)一般很深（N除外），空穴不容易熱激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，受主摻雜的固溶度也很低，進(jìn)一步增加了p型轉(zhuǎn)變的難度。不同的缺陷能級(jí)在禁帶中所處的位置不同，對(duì)ZnO薄膜的電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性能產(chǎn)生不同的影響。氧空位可能會(huì)在禁帶中引入淺施主能級(jí)，影響載流子的濃度和遷移率；而一些深能級(jí)缺陷則可能成為非輻射復(fù)合中心，降低光電器件的發(fā)光效率。深入研究ZnO薄膜中的缺陷能級(jí)及其對(duì)性能的影響機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化ZnO薄膜的性能、提高器件的性能和穩(wěn)定性具有重要意義。2.2摻雜對(duì)ZnO薄膜性能的影響機(jī)制2.2.1雜質(zhì)能級(jí)的引入當(dāng)Mg、Co原子摻雜進(jìn)入ZnO晶格時(shí)，由于它們與Zn原子在原子結(jié)構(gòu)和電負(fù)性等方面存在差異，會(huì)在ZnO的能帶結(jié)構(gòu)中引入新的雜質(zhì)能級(jí)。Mg原子的外層電子結(jié)構(gòu)為3s2，與Zn的4s2結(jié)構(gòu)不同。在ZnO晶格中，Mg原子取代Zn原子后，其3s電子參與形成的化學(xué)鍵與Zn-O鍵有所不同，這導(dǎo)致在禁帶中引入了與Mg相關(guān)的雜質(zhì)能級(jí)。理論計(jì)算表明，Mg摻雜所引入的雜質(zhì)能級(jí)通常位于價(jià)帶頂附近，且隨著Mg摻雜濃度的增加，這些雜質(zhì)能級(jí)會(huì)逐漸聚集并與價(jià)帶發(fā)生相互作用，從而影響ZnO薄膜的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。Co原子具有未成對(duì)的3d電子，其電子結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。在ZnO晶格中，Co原子取代Zn原子后，其3d電子會(huì)與周圍O原子的2p電子發(fā)生雜化，形成新的電子態(tài)，進(jìn)而在禁帶中引入與Co相關(guān)的雜質(zhì)能級(jí)。這些雜質(zhì)能級(jí)的位置和性質(zhì)與Co的摻雜濃度、配位環(huán)境以及晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，低濃度Co摻雜時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)可能位于禁帶中較深的位置，對(duì)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過(guò)程影響較小；而高濃度Co摻雜時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)可能與導(dǎo)帶或價(jià)帶發(fā)生耦合，改變載流子的傳輸路徑和復(fù)合機(jī)制，從而顯著影響ZnO薄膜的電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性能。2.2.2對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響Mg和Co摻雜會(huì)對(duì)ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。從原子半徑來(lái)看，Mg的原子半徑（0.072nm）略小于Zn的原子半徑（0.074nm），Co的原子半徑（0.065nm）也小于Zn。當(dāng)Mg或Co原子取代Zn原子進(jìn)入ZnO晶格時(shí)，會(huì)引起晶格的局部畸變。對(duì)于Mg摻雜，由于Mg原子半徑略小，會(huì)使ZnO晶格在一定程度上收縮，導(dǎo)致晶格參數(shù)a和c發(fā)生變化。XRD研究表明，隨著Mg摻雜濃度的增加，ZnO薄膜的（002）衍射峰向高角度方向移動(dòng)，這意味著晶格常數(shù)c減小。這種晶格收縮可能會(huì)影響Zn-O鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角，進(jìn)而改變晶體的對(duì)稱性和晶體場(chǎng)環(huán)境。Co摻雜同樣會(huì)引起晶格畸變。由于Co原子與Zn原子的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵特性不同，Co摻雜后會(huì)使ZnO晶格中的電子云分布發(fā)生改變，導(dǎo)致晶格局部應(yīng)力增加。這種應(yīng)力可能會(huì)促使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的扭曲，影響晶體的生長(zhǎng)取向和晶粒的排列方式。高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察發(fā)現(xiàn)，Co摻雜ZnO薄膜中存在較多的晶格缺陷和位錯(cuò)，這些缺陷的產(chǎn)生與Co摻雜引起的晶格畸變密切相關(guān)。同時(shí)，Co摻雜還可能影響ZnO薄膜的晶體生長(zhǎng)習(xí)性，導(dǎo)致晶粒尺寸和形狀發(fā)生變化。2.2.3對(duì)電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性能的影響在電學(xué)性能方面，Mg和Co摻雜通過(guò)引入雜質(zhì)能級(jí)和改變晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)ZnO薄膜的載流子濃度、遷移率和電阻率產(chǎn)生影響。Mg摻雜引入的雜質(zhì)能級(jí)位于價(jià)帶頂附近，可能會(huì)捕獲價(jià)帶中的電子，從而降低載流子濃度，使電阻率增大。同時(shí)，Mg摻雜引起的晶格收縮可能會(huì)增加晶格對(duì)載流子的散射作用，進(jìn)一步降低載流子遷移率。而Co摻雜引入的雜質(zhì)能級(jí)較為復(fù)雜，其對(duì)電學(xué)性能的影響取決于雜質(zhì)能級(jí)與導(dǎo)帶和價(jià)帶的相對(duì)位置。如果雜質(zhì)能級(jí)與導(dǎo)帶發(fā)生耦合，可能會(huì)提供額外的電子，增加載流子濃度，降低電阻率；反之，如果雜質(zhì)能級(jí)與價(jià)帶相互作用較強(qiáng)，可能會(huì)捕獲電子，導(dǎo)致載流子濃度降低，電阻率增大。此外，Co摻雜引起的晶格畸變和缺陷也會(huì)對(duì)載流子的傳輸產(chǎn)生散射作用，影響遷移率。在光學(xué)性能方面，Mg和Co摻雜主要通過(guò)改變能帶結(jié)構(gòu)和引入新的發(fā)光中心來(lái)影響ZnO薄膜的光學(xué)性能。Mg摻雜導(dǎo)致ZnO薄膜的帶隙增大，這使得薄膜對(duì)紫外光的吸收邊向短波方向移動(dòng)，增強(qiáng)了對(duì)紫外光的吸收能力。同時(shí)，Mg摻雜引起的晶格變化可能會(huì)影響激子的復(fù)合過(guò)程，改變發(fā)光特性。Co摻雜引入的雜質(zhì)能級(jí)可以作為新的發(fā)光中心，在不同的波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。例如，Co摻雜ZnO薄膜在可見(jiàn)光范圍內(nèi)可能出現(xiàn)與Co相關(guān)的發(fā)光峰，這是由于Co的3d電子在不同能級(jí)之間躍遷所導(dǎo)致的。此外，Co摻雜還可能影響ZnO薄膜的光吸收和散射特性，對(duì)其光學(xué)透過(guò)率和反射率產(chǎn)生影響。在磁學(xué)性能方面，Co摻雜是賦予ZnO薄膜磁性的關(guān)鍵因素。Co原子具有未成對(duì)的3d電子，這些電子之間存在著較強(qiáng)的交換相互作用。當(dāng)Co摻雜進(jìn)入ZnO晶格后，形成了具有磁性的Co離子。這些Co離子之間通過(guò)間接交換作用，如超交換作用和雙交換作用，產(chǎn)生了磁性。在(Mg,Co)共摻雜體系中，Mg的存在可能會(huì)對(duì)Co離子之間的磁相互作用產(chǎn)生影響。一方面，Mg摻雜引起的晶格變化可能會(huì)改變Co離子的配位環(huán)境，影響其磁矩的取向和大??；另一方面，Mg與Co之間可能存在一定的電子相互作用，這種相互作用可能會(huì)影響磁耦合強(qiáng)度，從而對(duì)薄膜的磁學(xué)性能產(chǎn)生協(xié)同調(diào)控作用。研究表明，通過(guò)調(diào)整Mg和Co的摻雜濃度和比例，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜磁學(xué)性能的有效控制，如改變飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力等參數(shù)。三、(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的制備與表征3.1制備方法選擇與原理3.1.1脈沖激光沉積（PLD）脈沖激光沉積（PulsedLaserDeposition，PLD）是一種在材料制備領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的技術(shù)，尤其適用于生長(zhǎng)高質(zhì)量、成分復(fù)雜的薄膜材料。其基本原理基于高能量密度的脈沖激光與靶材之間的相互作用。當(dāng)一束高能量的脈沖激光聚焦到靶材表面時(shí)，在極短的脈沖時(shí)間內(nèi)，靶材吸收激光能量，使得光斑處的溫度迅速升高至靶材的蒸發(fā)溫度以上。此時(shí)，靶材發(fā)生高溫?zé)g，大量的原子、分子、電子、離子以及分子團(tuán)簇等從靶材表面逸出。這些被蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)在高溫和強(qiáng)激光場(chǎng)的作用下，進(jìn)一步被電離和激發(fā)，形成一個(gè)高溫、高密度的等離子體區(qū)域，通常被稱為等離子體羽輝。在這個(gè)過(guò)程中，等離子體羽輝中的粒子具有較高的動(dòng)能和活性，它們沿著靶面法線方向向襯底運(yùn)動(dòng)。當(dāng)這些粒子到達(dá)襯底表面時(shí)，會(huì)在襯底上發(fā)生吸附、擴(kuò)散、成核和生長(zhǎng)等過(guò)程，逐漸形成薄膜。由于激光脈沖的能量高度集中，且作用時(shí)間極短，使得PLD過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)的精確控制，包括薄膜的成分、結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)速率等。PLD技術(shù)具有諸多顯著的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)能夠精確控制薄膜的化學(xué)成分，對(duì)于制備(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜而言，這一點(diǎn)尤為重要。通過(guò)選擇合適的靶材，如含有特定比例Mg、Co和Zn元素的復(fù)合靶材，在激光燒蝕過(guò)程中，能夠保證靶材中的各元素以相同的比例蒸發(fā)并沉積到襯底上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜中Mg和Co摻雜濃度的精確控制，確保薄膜的化學(xué)計(jì)量比與靶材一致。PLD技術(shù)可以在較低的襯底溫度下實(shí)現(xiàn)薄膜的生長(zhǎng)，這有助于減少因高溫引起的襯底與薄膜之間的相互擴(kuò)散和反應(yīng)，避免引入不必要的雜質(zhì)和缺陷，有利于保持薄膜的高質(zhì)量和穩(wěn)定性。PLD技術(shù)還具有很強(qiáng)的靈活性，可以在不同類型的襯底上沉積薄膜，包括單晶襯底、多晶襯底以及非晶襯底等，并且能夠方便地制備多層膜和異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜，為研究(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜與其他材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)和性能提供了便利。在本研究中，選擇PLD技術(shù)制備(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜，正是基于其能夠精確控制摻雜濃度和薄膜成分的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如激光能量密度、脈沖頻率、靶基距以及襯底溫度等，可以系統(tǒng)地研究不同制備條件對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，為優(yōu)化薄膜性能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。利用PLD技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的精確調(diào)控，有助于深入探索Mg和Co共摻雜對(duì)ZnO薄膜晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能的影響機(jī)制，為開發(fā)高性能的(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜材料提供技術(shù)支持。3.1.2溶膠-凝膠法（Sol-gel）溶膠-凝膠法（Sol-gel）是一種基于溶液化學(xué)的薄膜制備技術(shù)，在材料科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其基本原理是利用金屬有機(jī)化合物或無(wú)機(jī)化合物作為前驅(qū)體，在液相中通過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)，形成溶膠，然后經(jīng)過(guò)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程，最終形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，再經(jīng)過(guò)干燥、熱處理等工藝步驟得到所需的薄膜材料。具體來(lái)說(shuō)，溶膠-凝膠法的制備過(guò)程主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟。首先是前驅(qū)體的選擇和溶液配制。通常選用金屬醇鹽或金屬無(wú)機(jī)鹽作為前驅(qū)體，將其溶解在適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑（如乙醇、甲醇等）中，形成均勻的溶液。在溶液中，前驅(qū)體分子與溶劑分子相互作用，形成穩(wěn)定的溶液體系。然后進(jìn)行水解和縮聚反應(yīng)。向溶液中加入適量的水和催化劑（如酸或堿），引發(fā)前驅(qū)體的水解反應(yīng)。以金屬醇鹽M(OR)n為例，其水解反應(yīng)方程式為：M(OR)n+xH2O→M(OH)x(OR)n-x+xROH。水解產(chǎn)生的活性基團(tuán)進(jìn)一步發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成溶膠。縮聚反應(yīng)可分為失水縮聚和失醇縮聚兩種類型。失水縮聚反應(yīng)為：—M—OH+HO—M—→—M—O—M—+H2O；失醇縮聚反應(yīng)為：—M—OR+HO—M—→—M—O—M—+ROH。通過(guò)控制水解和縮聚反應(yīng)的條件，如反應(yīng)溫度、時(shí)間、催化劑種類和用量等，可以調(diào)節(jié)溶膠的粒徑、濃度和穩(wěn)定性。當(dāng)溶膠中的粒子不斷聚集和交聯(lián)，形成連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，溶膠就轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。凝膠中包含了大量的溶劑分子和未反應(yīng)的基團(tuán)，需要通過(guò)干燥過(guò)程去除溶劑，使凝膠進(jìn)一步固化。干燥過(guò)程可以采用常規(guī)的加熱干燥、真空干燥或冷凍干燥等方法，不同的干燥方法對(duì)凝膠的結(jié)構(gòu)和性能會(huì)產(chǎn)生不同的影響。經(jīng)過(guò)干燥的凝膠還需要進(jìn)行熱處理，以去除殘留的有機(jī)物，促進(jìn)薄膜的結(jié)晶化，提高薄膜的質(zhì)量和性能。熱處理的溫度和時(shí)間是影響薄膜性能的重要參數(shù)，需要根據(jù)具體的材料體系和應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化。溶膠-凝膠法對(duì)(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的制備具有重要影響。該方法能夠在分子水平上實(shí)現(xiàn)Mg、Co和Zn元素的均勻混合，通過(guò)精確控制前驅(qū)體的配比，可以準(zhǔn)確地控制薄膜中的摻雜濃度和比例，從而為研究不同摻雜條件下薄膜的性能變化提供了便利。溶膠-凝膠法制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本較低，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備，這對(duì)于(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的工業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。溶膠-凝膠法可以在較低的溫度下制備薄膜，有利于減少高溫對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，同時(shí)也能夠避免襯底與薄膜之間的熱應(yīng)力問(wèn)題，提高薄膜的附著力和穩(wěn)定性。然而，溶膠-凝膠法也存在一些不足之處。整個(gè)制備過(guò)程較為耗時(shí)，從溶液配制到最終薄膜的形成，通常需要幾天甚至幾周的時(shí)間，這在一定程度上限制了其生產(chǎn)效率。該方法使用的金屬醇鹽等前驅(qū)體成本較高，且有機(jī)溶劑對(duì)人體和環(huán)境有一定的危害性，需要采取相應(yīng)的防護(hù)和處理措施。在干燥和熱處理過(guò)程中，凝膠容易發(fā)生收縮和開裂，導(dǎo)致薄膜的質(zhì)量下降，需要通過(guò)優(yōu)化工藝條件和添加適當(dāng)?shù)奶砑觿﹣?lái)解決這些問(wèn)題。三、(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的制備與表征3.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程與參數(shù)控制3.2.1實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備本實(shí)驗(yàn)所選用的原材料均為高純度試劑，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。其中，氧化鋅（ZnO）粉末作為基礎(chǔ)原料，其純度達(dá)到99.99%，這保證了在摻雜過(guò)程中，ZnO本征特性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾最小化，使得Mg和Co摻雜所引起的性能變化能夠更清晰地被觀察和研究。在化學(xué)計(jì)量比上，高純度的ZnO粉末能準(zhǔn)確地按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行摻雜，為精確控制薄膜的成分提供了保障。鎂（Mg）粉的純度同樣為99.99%，其在共摻雜體系中起著重要作用。Mg原子半徑與Zn相近，能夠較為容易地進(jìn)入ZnO晶格，取代Zn的位置，從而改變ZnO的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。在制備過(guò)程中，高純度的Mg粉能夠精確地控制摻雜濃度，避免因雜質(zhì)的引入而影響薄膜的性能。當(dāng)Mg摻雜進(jìn)入ZnO晶格后，會(huì)導(dǎo)致晶格發(fā)生一定程度的收縮，從而影響Zn-O鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角，進(jìn)而改變ZnO的能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能。如果Mg粉中存在雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能會(huì)在晶格中形成額外的缺陷能級(jí)，干擾Mg摻雜對(duì)ZnO性能的調(diào)控，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差。鈷（Co）粉的純度也高達(dá)99.99%。Co原子具有未成對(duì)的3d電子，這些電子之間存在著較強(qiáng)的交換相互作用。當(dāng)Co摻雜進(jìn)入ZnO晶格后，會(huì)在ZnO中引入磁性離子，使ZnO薄膜展現(xiàn)出磁性。高純度的Co粉對(duì)于精確控制磁性的引入和調(diào)控至關(guān)重要。在研究Co摻雜對(duì)ZnO薄膜磁學(xué)性能的影響時(shí)，如果Co粉中含有雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可能會(huì)與Co離子發(fā)生相互作用，改變Co離子的磁矩大小和取向，從而影響薄膜的磁性表現(xiàn)，使得對(duì)磁學(xué)性能的研究結(jié)果不準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)中選用的襯底為藍(lán)寶石（Al?O?），其規(guī)格為c面（0001）取向，尺寸為10mm×10mm×0.5mm。藍(lán)寶石襯底具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在高溫制備過(guò)程中不會(huì)與薄膜材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠?yàn)楸∧さ纳L(zhǎng)提供穩(wěn)定的支撐。其c面取向與ZnO的六方晶系結(jié)構(gòu)具有一定的晶格匹配度，有利于ZnO薄膜在襯底上的外延生長(zhǎng)，促進(jìn)薄膜形成良好的晶體結(jié)構(gòu)和取向。較小的尺寸規(guī)格便于在實(shí)驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行操作和固定，同時(shí)也能保證在有限的實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)，對(duì)薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行精確的控制和監(jiān)測(cè)。在磁控濺射過(guò)程中，較小的襯底尺寸能夠使濺射粒子更均勻地沉積在襯底表面，減少因襯底面積過(guò)大而導(dǎo)致的薄膜厚度不均勻和成分偏差等問(wèn)題。3.2.2制備過(guò)程中的參數(shù)設(shè)置在采用脈沖激光沉積（PLD）制備(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜時(shí)，一系列關(guān)鍵參數(shù)對(duì)薄膜的質(zhì)量和性能有著決定性的影響。激光能量密度是一個(gè)重要參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)將其設(shè)置為2-4J/cm2。激光能量密度直接決定了靶材表面原子的蒸發(fā)和電離程度。當(dāng)激光能量密度較低時(shí)，靶材表面原子獲得的能量較少，蒸發(fā)和電離效率較低，可能導(dǎo)致薄膜生長(zhǎng)速率緩慢，且原子在襯底表面的遷移能力較弱，不利于形成高質(zhì)量的薄膜結(jié)構(gòu)。而當(dāng)激光能量密度過(guò)高時(shí)，靶材表面原子可能會(huì)過(guò)度蒸發(fā)和電離，產(chǎn)生大量高能粒子，這些粒子在到達(dá)襯底表面時(shí)可能會(huì)對(duì)已沉積的薄膜原子產(chǎn)生濺射作用，破壞薄膜的生長(zhǎng)，同時(shí)也可能引入過(guò)多的缺陷，影響薄膜的性能。在2-4J/cm2的能量密度范圍內(nèi)，能夠在保證薄膜生長(zhǎng)速率的同時(shí)，使原子在襯底表面具有適當(dāng)?shù)倪w移能力，促進(jìn)薄膜形成良好的晶體結(jié)構(gòu)。脈沖頻率設(shè)置為10-30Hz。脈沖頻率影響著靶材表面原子的蒸發(fā)頻率和薄膜的生長(zhǎng)連續(xù)性。較低的脈沖頻率意味著原子蒸發(fā)的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，可能導(dǎo)致薄膜生長(zhǎng)不連續(xù)，出現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)或孔洞等缺陷。而過(guò)高的脈沖頻率則可能使原子在襯底表面的堆積速度過(guò)快，來(lái)不及進(jìn)行充分的擴(kuò)散和排列，同樣會(huì)影響薄膜的質(zhì)量。在10-30Hz的脈沖頻率下，能夠使原子在襯底表面有足夠的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和結(jié)晶，保證薄膜生長(zhǎng)的連續(xù)性和均勻性。靶基距設(shè)定為5-7cm。靶基距決定了等離子體羽輝在傳輸過(guò)程中的能量衰減和粒子散射程度。如果靶基距過(guò)短，等離子體羽輝中的高能粒子在到達(dá)襯底時(shí)能量過(guò)高，可能會(huì)對(duì)襯底表面造成損傷，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致粒子在襯底表面的散射減少，不利于原子的均勻分布。如果靶基距過(guò)長(zhǎng)，等離子體羽輝中的粒子在傳輸過(guò)程中能量損失過(guò)大，到達(dá)襯底時(shí)的動(dòng)能不足，原子在襯底表面的遷移能力減弱，難以形成致密的薄膜結(jié)構(gòu)。5-7cm的靶基距能夠使等離子體羽輝中的粒子在到達(dá)襯底時(shí)具有合適的能量和散射程度，有利于薄膜的均勻生長(zhǎng)和良好結(jié)構(gòu)的形成。襯底溫度在300-500℃之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。襯底溫度對(duì)薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和晶體取向有著重要影響。較低的襯底溫度下，原子在襯底表面的遷移能力較弱，難以形成規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，薄膜可能呈現(xiàn)出非晶態(tài)或結(jié)晶質(zhì)量較差的狀態(tài)。隨著襯底溫度的升高，原子的遷移能力增強(qiáng)，有利于原子在襯底表面進(jìn)行有序排列，形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)。但過(guò)高的襯底溫度可能會(huì)導(dǎo)致襯底與薄膜之間的相互擴(kuò)散加劇，引入雜質(zhì)，同時(shí)也可能使薄膜中的缺陷增多。在300-500℃的溫度范圍內(nèi)，能夠在保證薄膜結(jié)晶質(zhì)量的同時(shí)，減少襯底與薄膜之間的相互作用，獲得高質(zhì)量的(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜。3.3薄膜的表征手段3.3.1X射線衍射分析（XRD）X射線衍射分析（X-RayDiffraction，XRD）是一種用于研究材料晶體結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)，其原理基于X射線與晶體中原子的相互作用。X射線是一種波長(zhǎng)較短的電磁波，當(dāng)一束X射線照射到晶體上時(shí)，晶體中的原子會(huì)對(duì)X射線產(chǎn)生散射作用。由于晶體中原子呈周期性排列，這些散射的X射線會(huì)在某些特定方向上發(fā)生相長(zhǎng)干涉，形成衍射光束，而在其他方向上則發(fā)生相消干涉。這種衍射現(xiàn)象滿足布拉格定律：2d\sin\theta=n\lambda，其中n為衍射級(jí)數(shù)，通常取整數(shù)；\lambda為入射X射線的波長(zhǎng)；d為晶體中的晶面間距；\theta為X射線的入射角。通過(guò)測(cè)量衍射光束的角度和強(qiáng)度，可以得到XRD圖譜。XRD圖譜中的衍射峰位置（2\theta值）與晶面間距d直接相關(guān)，通過(guò)布拉格定律可以計(jì)算出晶面間距，從而確定晶體的晶格參數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)類型。不同的晶體結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的晶面間距和衍射峰特征，將測(cè)得的XRD圖譜與標(biāo)準(zhǔn)的XRD數(shù)據(jù)庫(kù)（如國(guó)際衍射數(shù)據(jù)中心ICDD的PDF卡片）進(jìn)行比對(duì)，就可以準(zhǔn)確地識(shí)別樣品中的物相組成。對(duì)于(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜，XRD分析可以確定薄膜是否形成了預(yù)期的ZnO晶體結(jié)構(gòu)，以及Mg和Co的摻雜是否導(dǎo)致了晶體結(jié)構(gòu)的變化。如果Mg和Co成功進(jìn)入ZnO晶格，可能會(huì)引起晶格參數(shù)的改變，從而導(dǎo)致XRD衍射峰的位置發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)Mg摻雜進(jìn)入ZnO晶格時(shí)，由于Mg原子半徑略小于Zn原子半徑，可能會(huì)使晶格發(fā)生收縮，導(dǎo)致晶面間距減小，XRD衍射峰向高角度方向移動(dòng)。通過(guò)分析衍射峰的強(qiáng)度和半高寬，可以評(píng)估薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和晶粒尺寸。較高的衍射峰強(qiáng)度和較窄的半高寬通常表示薄膜具有較好的結(jié)晶質(zhì)量和較大的晶粒尺寸。利用謝樂(lè)公式D=K\lambda/(\beta\cos\theta)（其中D為晶粒尺寸，K為形狀因子，\beta為衍射峰的半高寬），可以估算出薄膜中的晶粒尺寸，進(jìn)一步了解薄膜的微觀結(jié)構(gòu)特征。3.3.2掃描電子顯微鏡（SEM）掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，SEM）的工作原理基于電子束與樣品之間的相互作用。SEM通過(guò)電子槍發(fā)射出高能電子束，該電子束經(jīng)過(guò)一系列電磁透鏡的聚焦和加速后，形成直徑極小的電子探針，掃描樣品表面。當(dāng)電子束與樣品相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多種信號(hào)，其中二次電子和背散射電子是用于觀察樣品表面形貌的主要信號(hào)。二次電子是由樣品表面被入射電子激發(fā)出來(lái)的外層電子，其能量較低，一般在50eV以下。二次電子的產(chǎn)額與樣品表面的形貌密切相關(guān)，在樣品表面的凸出部位、邊緣和棱角處，二次電子的發(fā)射量較多，而在凹陷部位和平面區(qū)域，二次電子的發(fā)射量相對(duì)較少。通過(guò)探測(cè)器收集這些二次電子，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大和處理后，在熒光屏上形成反映樣品表面形貌的圖像。由于二次電子對(duì)樣品表面的細(xì)節(jié)非常敏感，因此SEM能夠提供高分辨率的樣品表面微觀形貌信息，分辨率通常可達(dá)納米級(jí)別。背散射電子是被樣品中的原子反彈回來(lái)的入射電子，其能量較高，與樣品原子的平均原子序數(shù)有關(guān)。背散射電子圖像的襯度主要取決于樣品表面不同區(qū)域的平均原子序數(shù)差異，原子序數(shù)較高的區(qū)域，背散射電子的產(chǎn)額較多，在圖像中顯示為較亮的區(qū)域；而原子序數(shù)較低的區(qū)域，背散射電子的產(chǎn)額較少，圖像中顯示為較暗的區(qū)域。背散射電子圖像不僅可以用于觀察樣品的表面形貌，還可以用于分析樣品的成分分布，通過(guò)對(duì)比不同區(qū)域的亮度差異，可以初步判斷樣品中不同元素的分布情況。在觀察(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的表面形貌時(shí)，SEM能夠清晰地展示薄膜的晶粒尺寸、形狀、排列方式以及表面粗糙度等特征。通過(guò)對(duì)SEM圖像的分析，可以測(cè)量晶粒的平均尺寸和尺寸分布，研究Mg和Co摻雜對(duì)晶粒生長(zhǎng)的影響。如果Mg和Co的摻雜促進(jìn)了晶粒的生長(zhǎng)，可能會(huì)觀察到晶粒尺寸增大，且分布更加均勻；反之，如果摻雜抑制了晶粒生長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)晶粒尺寸減小，甚至出現(xiàn)細(xì)小的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。SEM還可以觀察到薄膜表面的缺陷，如孔洞、裂紋等，這些缺陷的存在可能會(huì)影響薄膜的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，通過(guò)對(duì)缺陷的分析，可以評(píng)估薄膜的質(zhì)量和穩(wěn)定性。3.3.3X射線光電子能譜（XPS）X射線光電子能譜（X-RayPhotoelectronSpectroscopy，XPS）的分析原理基于光電效應(yīng)。當(dāng)一束具有特定能量的X射線照射到樣品表面時(shí)，樣品中的原子內(nèi)殼層電子會(huì)吸收X射線的能量，克服原子核的束縛而逸出表面，成為光電子。這些光電子的動(dòng)能E_{k}與入射X射線的能量E_{0}以及原子內(nèi)殼層電子的結(jié)合能E_之間滿足能量守恒關(guān)系：E_{k}=E_{0}-E_-\Phi，其中\(zhòng)Phi為儀器的功函數(shù)，通常為常數(shù)。通過(guò)測(cè)量光電子的動(dòng)能，可以計(jì)算出電子的結(jié)合能。不同元素的原子具有不同的電子結(jié)構(gòu)，其各內(nèi)殼層電子的結(jié)合能是特征性的，且不同化學(xué)態(tài)下同一元素的電子結(jié)合能也會(huì)存在微小差異。通過(guò)將測(cè)量得到的結(jié)合能與標(biāo)準(zhǔn)的XPS數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，就可以確定樣品中存在的元素種類以及各元素的化學(xué)態(tài)。XPS譜圖中，橫坐標(biāo)表示電子結(jié)合能，縱坐標(biāo)表示光電子的強(qiáng)度。每個(gè)元素在譜圖中都會(huì)出現(xiàn)一系列特征峰，對(duì)應(yīng)于不同內(nèi)殼層電子的光電子發(fā)射，如C1s、O1s、Zn2p等峰。通過(guò)對(duì)這些峰的位置、強(qiáng)度和峰形進(jìn)行分析，可以獲取元素的含量、化學(xué)環(huán)境等信息。峰的強(qiáng)度與元素的含量相關(guān)，通過(guò)峰強(qiáng)度的定量分析，可以確定樣品中各元素的相對(duì)含量。峰的位置和峰形的變化則反映了元素的化學(xué)態(tài)變化，如氧化態(tài)、配位環(huán)境等。對(duì)于(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜，XPS分析可以精確確定薄膜中Mg、Co、Zn和O等元素的存在形式和化學(xué)態(tài)?？梢源_定Mg和Co是否成功摻雜進(jìn)入ZnO晶格，以及它們?cè)诰Ц裰械拇嬖跔顟B(tài)是替代Zn原子還是形成了其他化合物相。通過(guò)分析Zn2p和O1s峰的位置和峰形變化，可以了解ZnO晶格的完整性以及氧的化學(xué)環(huán)境變化，進(jìn)而推斷共摻雜對(duì)ZnO晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的影響。通過(guò)對(duì)Mg2p和Co2p峰的分析，可以確定Mg和Co的氧化態(tài)和配位環(huán)境，研究共摻雜過(guò)程中Mg和Co與周圍原子之間的相互作用機(jī)制。3.3.4光致發(fā)光光譜（PL）光致發(fā)光光譜（PhotoluminescenceSpectroscopy，PL）的原理基于材料在光激發(fā)下的發(fā)光現(xiàn)象。當(dāng)用一束能量高于材料禁帶寬度的激發(fā)光照射(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜時(shí)，薄膜中的電子會(huì)吸收光子能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，形成電子-空穴對(duì)。這些處于激發(fā)態(tài)的電子-空穴對(duì)是不穩(wěn)定的，它們會(huì)通過(guò)不同的方式回到基態(tài)，其中一種重要的方式是通過(guò)輻射復(fù)合，即電子與空穴復(fù)合時(shí)，以光子的形式釋放出能量，產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。所發(fā)射光子的能量E與材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)相關(guān)，滿足E=h\nu=hc/\lambda，其中h為普朗克常數(shù)，\nu為光子頻率，c為光速，\lambda為光子波長(zhǎng)。通過(guò)測(cè)量材料發(fā)射光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度，就可以得到PL光譜。PL光譜能夠提供關(guān)于材料光學(xué)性能的重要信息，包括材料的帶隙寬度、發(fā)光中心的類型和濃度、缺陷態(tài)的存在及其性質(zhì)等。在(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜中，PL光譜可以用于研究共摻雜對(duì)ZnO薄膜光學(xué)性能的影響。ZnO薄膜的本征發(fā)光通常包括紫外發(fā)光和可見(jiàn)發(fā)光。紫外發(fā)光源于導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴的直接復(fù)合，其發(fā)光峰位置與ZnO的帶隙寬度密切相關(guān)。Mg和Co共摻雜可能會(huì)改變ZnO的帶隙寬度，從而導(dǎo)致紫外發(fā)光峰的位置發(fā)生移動(dòng)。如果Mg摻雜使ZnO的帶隙增大，紫外發(fā)光峰可能會(huì)向短波方向移動(dòng)，即發(fā)生藍(lán)移?？梢?jiàn)發(fā)光則通常與晶體中的缺陷相關(guān)，如氧空位、鋅空位等。共摻雜可能會(huì)引入新的缺陷或改變?cè)腥毕莸臐舛群托再|(zhì)，從而影響可見(jiàn)發(fā)光的強(qiáng)度和峰位。Co摻雜可能會(huì)引入與Co相關(guān)的雜質(zhì)能級(jí)，這些能級(jí)可以作為新的發(fā)光中心，在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生新的發(fā)光峰。通過(guò)分析PL光譜中不同發(fā)光峰的強(qiáng)度和峰位變化，可以深入了解共摻雜對(duì)ZnO薄膜光學(xué)性能的影響機(jī)制，為優(yōu)化薄膜的光學(xué)性能提供理論依據(jù)。四、(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的形貌調(diào)控研究4.1不同制備條件對(duì)薄膜形貌的影響4.1.1襯底溫度的影響襯底溫度在(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中扮演著至關(guān)重要的角色，對(duì)薄膜的生長(zhǎng)速率和晶粒尺寸有著顯著的影響。當(dāng)襯底溫度較低時(shí)，如在300℃以下，到達(dá)襯底表面的原子具有較低的動(dòng)能，其在襯底表面的遷移能力較弱。這使得原子難以在襯底表面進(jìn)行充分的擴(kuò)散和遷移，難以找到合適的晶格位置進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致薄膜的生長(zhǎng)速率緩慢。由于原子遷移不充分，晶核的形成較為隨機(jī)，難以形成規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸較小且分布不均勻，薄膜的表面形貌呈現(xiàn)出較為粗糙、疏松的狀態(tài)，可能存在較多的孔洞和缺陷。隨著襯底溫度的逐漸升高，原子在襯底表面的遷移能力顯著增強(qiáng)。在300-400℃的溫度區(qū)間內(nèi)，原子具有足夠的能量在襯底表面進(jìn)行擴(kuò)散和遷移，能夠更有效地參與晶體的生長(zhǎng)過(guò)程。這使得晶核的形成更加有序，晶體生長(zhǎng)速率加快，薄膜的生長(zhǎng)速率也隨之提高。同時(shí)，原子的充分遷移有利于晶粒的長(zhǎng)大，使得晶粒尺寸逐漸增大，且分布更加均勻，薄膜的表面形貌變得更加致密和平整，孔洞和缺陷的數(shù)量明顯減少。當(dāng)襯底溫度進(jìn)一步升高，超過(guò)400℃時(shí)，雖然原子的遷移能力進(jìn)一步增強(qiáng)，但過(guò)高的溫度也會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面影響。過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致襯底與薄膜之間的相互擴(kuò)散加劇，使得襯底中的雜質(zhì)原子擴(kuò)散進(jìn)入薄膜，影響薄膜的成分和性能。高溫還可能使薄膜中的缺陷增多，如位錯(cuò)、層錯(cuò)等，這些缺陷會(huì)阻礙晶粒的生長(zhǎng)，導(dǎo)致晶粒尺寸不再隨溫度升高而增大，甚至可能出現(xiàn)晶粒尺寸減小的情況。過(guò)高的溫度還可能使薄膜的表面出現(xiàn)粗糙化現(xiàn)象，影響薄膜的平整度和均勻性。通過(guò)調(diào)節(jié)襯底溫度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜生長(zhǎng)速率和晶粒尺寸的有效調(diào)控。在實(shí)際制備過(guò)程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和薄膜性能要求，選擇合適的襯底溫度，以獲得理想的薄膜形貌和性能。為了獲得高質(zhì)量的(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜，在本實(shí)驗(yàn)中，將襯底溫度控制在350-400℃的范圍內(nèi)，在此溫度區(qū)間內(nèi)，薄膜具有較高的生長(zhǎng)速率，同時(shí)能夠保證晶粒尺寸的均勻性和薄膜的致密性，為后續(xù)的性能研究提供了良好的材料基礎(chǔ)。4.1.2氧分壓的影響氧分壓是影響(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜結(jié)晶質(zhì)量和表面平整度的關(guān)鍵因素之一。在薄膜制備過(guò)程中，氧分壓的變化會(huì)直接影響到薄膜中氧原子的含量和分布，進(jìn)而對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌產(chǎn)生重要影響。當(dāng)氧分壓較低時(shí)，薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中氧原子的供應(yīng)不足。在這種情況下，ZnO晶格中容易形成氧空位，這些氧空位會(huì)導(dǎo)致晶格畸變，破壞晶體結(jié)構(gòu)的完整性。由于氧空位的存在，晶體中的電子結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，形成一些缺陷能級(jí)，這些缺陷能級(jí)會(huì)影響載流子的傳輸和復(fù)合過(guò)程，降低薄膜的電學(xué)性能。在表面形貌方面，氧空位的存在會(huì)使薄膜表面的原子排列不規(guī)則，導(dǎo)致表面粗糙度增加，薄膜的表面平整度變差。隨著氧分壓的逐漸增加，薄膜中的氧原子含量逐漸接近化學(xué)計(jì)量比，氧空位的濃度降低。在合適的氧分壓范圍內(nèi)，如1-3Pa，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量得到顯著改善。充足的氧原子供應(yīng)使得ZnO晶格能夠更加完整地生長(zhǎng)，晶體結(jié)構(gòu)更加規(guī)則，缺陷減少，從而提高了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。在表面形貌上，由于晶體生長(zhǎng)更加有序，薄膜表面的原子排列更加緊密和平整，表面粗糙度降低，薄膜的表面平整度得到明顯提高。當(dāng)氧分壓過(guò)高時(shí)，如超過(guò)3Pa，會(huì)引入過(guò)多的氧原子，可能導(dǎo)致薄膜中形成過(guò)氧化物或其他氧相關(guān)的缺陷。這些過(guò)氧化物和缺陷會(huì)影響薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能，同時(shí)也會(huì)對(duì)薄膜的表面形貌產(chǎn)生不利影響。過(guò)多的氧原子可能會(huì)使薄膜表面的原子堆積方式發(fā)生改變，導(dǎo)致表面出現(xiàn)起伏和不均勻的現(xiàn)象，影響薄膜的平整度和均勻性。為了獲得高質(zhì)量的(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜，需要精確控制氧分壓。在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)整氧分壓，研究了其對(duì)薄膜結(jié)晶質(zhì)量和表面平整度的影響。結(jié)果表明，在1-3Pa的氧分壓范圍內(nèi)，能夠獲得結(jié)晶質(zhì)量良好、表面平整度高的薄膜。在這個(gè)氧分壓區(qū)間內(nèi)，薄膜的晶體結(jié)構(gòu)完整，缺陷較少，表面原子排列緊密有序，為薄膜在光電器件、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了良好的性能基礎(chǔ)。4.1.3激光能量的影響激光能量在脈沖激光沉積制備(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的過(guò)程中，對(duì)薄膜的沉積速率和薄膜均勻性起著關(guān)鍵作用。當(dāng)激光能量較低時(shí)，靶材表面吸收的能量較少，原子的蒸發(fā)和電離效率較低。這導(dǎo)致從靶材表面濺射出來(lái)的原子數(shù)量較少，到達(dá)襯底表面的原子通量較低，從而使得薄膜的沉積速率較慢。由于原子通量低，原子在襯底表面的沉積過(guò)程不夠連續(xù)，可能會(huì)出現(xiàn)原子分布不均勻的情況，進(jìn)而影響薄膜的均勻性。在較低的激光能量下，薄膜可能會(huì)出現(xiàn)局部厚度不均勻、成分偏差等問(wèn)題，影響薄膜的質(zhì)量和性能。隨著激光能量的增加，靶材表面原子獲得的能量增多，原子的蒸發(fā)和電離效率顯著提高。更多的原子從靶材表面濺射出來(lái)，形成較高的原子通量，使得薄膜的沉積速率加快。在一定的能量范圍內(nèi)，如2-3J/cm2，原子在襯底表面的沉積過(guò)程更加連續(xù)和均勻，有利于形成均勻的薄膜結(jié)構(gòu)。較高的原子通量使得原子在襯底表面能夠更均勻地分布，減少了薄膜中出現(xiàn)局部缺陷和不均勻性的可能性，提高了薄膜的均勻性。當(dāng)激光能量過(guò)高時(shí)，如超過(guò)3J/cm2，會(huì)帶來(lái)一系列負(fù)面影響。過(guò)高的激光能量會(huì)使靶材表面的原子過(guò)度蒸發(fā)和電離，產(chǎn)生大量高能粒子。這些高能粒子在到達(dá)襯底表面時(shí)，可能會(huì)對(duì)已沉積的薄膜原子產(chǎn)生濺射作用，破壞薄膜的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致薄膜表面出現(xiàn)粗糙、多孔等缺陷。高能粒子的濺射作用還可能使薄膜中的成分發(fā)生變化，影響薄膜的化學(xué)計(jì)量比和性能。過(guò)高的激光能量還可能導(dǎo)致薄膜的溫度急劇升高，引起薄膜與襯底之間的熱應(yīng)力增大，從而導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)裂紋或剝落等問(wèn)題，嚴(yán)重影響薄膜的質(zhì)量和穩(wěn)定性。在制備(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜時(shí)，需要合理選擇激光能量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜沉積速率和均勻性的有效控制。在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)整激光能量，發(fā)現(xiàn)2-3J/cm2的激光能量能夠在保證薄膜沉積速率的同時(shí)，獲得均勻性較好的薄膜。在這個(gè)能量范圍內(nèi)，薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程穩(wěn)定，原子沉積均勻，薄膜的質(zhì)量和性能得到了較好的保障，為后續(xù)對(duì)薄膜性能的研究提供了良好的條件。4.2添加劑對(duì)薄膜形貌的影響4.2.1檸檬酸鈉的作用在制備(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的過(guò)程中，檸檬酸鈉作為一種重要的添加劑，對(duì)薄膜的生長(zhǎng)方向和晶粒形狀產(chǎn)生了顯著的影響。檸檬酸鈉的化學(xué)分子式為C_6H_5O_7Na_3·2H_2O，其分子結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)羧基和羥基等活性基團(tuán)，這些基團(tuán)能夠與金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮獨(dú)特的作用。從生長(zhǎng)方向來(lái)看，檸檬酸鈉的加入改變了ZnO晶體的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。在不添加檸檬酸鈉的情況下，ZnO晶體通常沿著c軸方向擇優(yōu)生長(zhǎng)，這是由于ZnO的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)中，c軸方向的原子排列方式使得該方向的生長(zhǎng)速度相對(duì)較快。當(dāng)加入檸檬酸鈉后，其分子中的羧基和羥基會(huì)與溶液中的Zn2?、Mg2?和Co2?等離子發(fā)生絡(luò)合作用，形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。這些絡(luò)合物的存在改變了溶液中離子的活性和擴(kuò)散速率，使得ZnO晶體在不同晶面的生長(zhǎng)速率發(fā)生變化。具體而言，檸檬酸鈉的絡(luò)合作用抑制了ZnO晶體c軸方向的生長(zhǎng)，促進(jìn)了其他晶面的生長(zhǎng)，導(dǎo)致薄膜的生長(zhǎng)方向發(fā)生改變，不再呈現(xiàn)單一的c軸擇優(yōu)生長(zhǎng)，而是出現(xiàn)了多晶取向的生長(zhǎng)模式。這種生長(zhǎng)方向的改變使得薄膜的晶體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，不同取向的晶粒相互交織，可能會(huì)對(duì)薄膜的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。在晶粒形狀方面，檸檬酸鈉的加入導(dǎo)致了ZnO晶粒形狀的顯著變化。未添加檸檬酸鈉時(shí)，ZnO晶粒通常呈現(xiàn)出較為規(guī)則的柱狀或棒狀形態(tài)，這是由于在常規(guī)生長(zhǎng)條件下，晶體沿著特定晶面的生長(zhǎng)速率較為均勻，從而形成了相對(duì)規(guī)則的外形。當(dāng)檸檬酸鈉存在時(shí)，其絡(luò)合作用使得晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的原子沉積方式發(fā)生改變。檸檬酸鈉分子吸附在ZnO晶體表面，阻礙了原子在某些方向上的均勻沉積，導(dǎo)致晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)了各向異性的生長(zhǎng)速率。在某些晶面，原子的沉積速率較快，而在其他晶面則較慢，從而使得ZnO晶粒的形狀發(fā)生扭曲，形成了片狀或不規(guī)則的多邊形晶粒。這種晶粒形狀的變化會(huì)影響薄膜的表面粗糙度和致密性，進(jìn)而影響薄膜的性能。片狀晶粒的存在可能會(huì)增加薄膜的比表面積，對(duì)于一些需要高比表面積的應(yīng)用，如氣體傳感器，可能會(huì)提高薄膜對(duì)氣體分子的吸附能力，從而增強(qiáng)傳感器的靈敏度；但在一些對(duì)表面平整度要求較高的光電器件應(yīng)用中，不規(guī)則的晶粒形狀可能會(huì)導(dǎo)致光散射增加，降低薄膜的光學(xué)透過(guò)率和發(fā)光效率。4.2.2氨水的作用氨水在(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的制備過(guò)程中，對(duì)薄膜的結(jié)晶過(guò)程和表面形貌起到了關(guān)鍵的調(diào)控作用。氨水（NH_3·H_2O）在溶液中會(huì)發(fā)生解離，產(chǎn)生NH_4^+和OH^-離子，這些離子與溶液中的金屬離子以及ZnO晶體表面的原子發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，從而影響薄膜的生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)。在結(jié)晶過(guò)程中，氨水的主要作用之一是調(diào)節(jié)溶液的pH值，進(jìn)而影響金屬離子的存在形式和反應(yīng)活性。在較低的pH值條件下，溶液中的H^+濃度較高，這會(huì)抑制金屬離子的水解和沉淀反應(yīng)。當(dāng)加入氨水后，溶液的pH值升高，OH^-離子濃度增加，OH^-會(huì)與溶液中的Zn2?、Mg2?和Co2?等離子結(jié)合，形成金屬氫氧化物沉淀。這些金屬氫氧化物沉淀在一定條件下會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為ZnO晶體，氨水的加入為ZnO晶體的形成提供了必要的反應(yīng)環(huán)境。氨水還可以與金屬離子形成絡(luò)合物，如[Zn(NH_3)_4]^{2+}等。這些絡(luò)合物的穩(wěn)定性較高，能夠控制金屬離子的釋放速率，使得ZnO晶體的生長(zhǎng)過(guò)程更加緩慢和均勻，有利于形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)控制氨水的濃度和加入方式，可以精確調(diào)控金屬離子的釋放和反應(yīng)速率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO晶體結(jié)晶過(guò)程的有效控制。氨水對(duì)薄膜表面形貌的影響也十分顯著。在沒(méi)有氨水存在的情況下，薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)晶粒生長(zhǎng)不均勻、團(tuán)聚等現(xiàn)象，導(dǎo)致薄膜表面粗糙度較大，平整度較差。當(dāng)加入適量的氨水后，氨水的緩沖作用可以穩(wěn)定溶液的pH值，減少溶液中離子濃度的波動(dòng)，從而使ZnO晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中能夠更加均勻地沉積在襯底表面。氨水形成的絡(luò)合物可以抑制晶粒的團(tuán)聚，使晶粒能夠獨(dú)立生長(zhǎng)，從而獲得尺寸均勻、分布規(guī)則的晶粒。在掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中可以觀察到，添加氨水后，薄膜表面的晶粒尺寸更加一致，晶界更加清晰，表面粗糙度明顯降低，薄膜的平整度得到了顯著提高。這種表面形貌的改善對(duì)于薄膜在光電器件、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。在光電器件中，平整的薄膜表面可以減少光散射，提高光的傳輸效率和發(fā)光效率；在傳感器中，均勻的表面形貌有利于提高傳感器對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的吸附和反應(yīng)均勻性，從而提高傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。4.3薄膜形貌與性能的關(guān)聯(lián)分析4.3.1形貌對(duì)電學(xué)性能的影響薄膜形貌在(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的電學(xué)性能中起著關(guān)鍵作用，其中對(duì)載流子遷移率和電阻率的影響尤為顯著。在晶粒尺寸方面，較小的晶粒尺寸會(huì)導(dǎo)致較多的晶界存在。晶界處原子排列不規(guī)則，存在大量的缺陷和懸掛鍵，這些都會(huì)對(duì)載流子的傳輸產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射作用。當(dāng)載流子運(yùn)動(dòng)到晶界時(shí)，會(huì)與晶界處的缺陷和懸掛鍵相互作用，導(dǎo)致載流子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，能量損失增加，從而使載流子遷移率降低。根據(jù)晶界散射理論，載流子遷移率與晶粒尺寸成反比關(guān)系，即晶粒尺寸越小，載流子遷移率越低。當(dāng)晶粒尺寸從幾十納米減小到幾納米時(shí)，載流子遷移率可能會(huì)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。從表面粗糙度來(lái)看，表面粗糙度較大的薄膜，其表面存在較多的起伏和缺陷，這些表面缺陷同樣會(huì)對(duì)載流子產(chǎn)生散射作用。當(dāng)載流子在薄膜表面?zhèn)鬏敃r(shí)，會(huì)與這些表面缺陷發(fā)生碰撞，導(dǎo)致載流子的散射幾率增加，遷移率下降。表面粗糙度還可能影響薄膜與電極之間的接觸性能，增加接觸電阻，進(jìn)一步影響薄膜的電學(xué)性能。研究表明，表面粗糙度增加10%，接觸電阻可能會(huì)增加20%-30%，從而導(dǎo)致電阻率增大，影響薄膜在電路中的應(yīng)用性能。在薄膜的結(jié)晶質(zhì)量方面，結(jié)晶質(zhì)量較差的薄膜，內(nèi)部存在較多的位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷，這些缺陷會(huì)形成雜質(zhì)能級(jí)，捕獲載流子，降低載流子的濃度和遷移率。在存在大量位錯(cuò)的薄膜中，位錯(cuò)周圍的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)改變電子的能量狀態(tài)，使得載流子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中更容易被捕獲，從而降低了載流子的遷移率。同時(shí)，這些缺陷還可能導(dǎo)致載流子的復(fù)合幾率增加，進(jìn)一步降低載流子濃度，使電阻率增大。通過(guò)優(yōu)化薄膜的制備工藝，提高結(jié)晶質(zhì)量，減少缺陷的存在，可以有效提高載流子遷移率，降低電阻率，改善薄膜的電學(xué)性能。4.3.2形貌對(duì)光學(xué)性能的影響薄膜形貌對(duì)(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的光吸收和光發(fā)射性能有著重要影響，這種影響主要體現(xiàn)在晶粒尺寸、晶界以及表面粗糙度等方面。在光吸收性能方面，晶粒尺寸起著關(guān)鍵作用。較小的晶粒尺寸會(huì)導(dǎo)致較大的比表面積，使得薄膜對(duì)光的散射增強(qiáng)。當(dāng)光照射到薄膜表面時(shí)，會(huì)在晶粒之間發(fā)生多次散射，增加了光在薄膜內(nèi)部的傳播路徑，從而提高了光的吸收效率。納米晶粒尺寸的(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜在紫外光區(qū)域的吸收系數(shù)比微米晶粒尺寸的薄膜高出30%-50%。隨著晶粒尺寸的減小，量子限域效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，這會(huì)導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使光吸收邊向短波方向移動(dòng)，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)紫外光的吸收能力。晶界作為晶粒之間的過(guò)渡區(qū)域，其原子排列不規(guī)則，存在較多的缺陷和懸掛鍵，這些都會(huì)影響光的傳播和吸收。晶界處的缺陷和懸掛鍵可以作為光吸收中心，增加光的吸收幾率。但是，過(guò)多的晶界也會(huì)導(dǎo)致光散射增強(qiáng)，降低光的透過(guò)率，從而影響光吸收性能。當(dāng)晶界密度增加一倍時(shí)，光散射損失可能會(huì)增加40%-60%，使得光吸收效率反而下降。因此，在優(yōu)化薄膜光吸收性能時(shí)，需要在晶界的光吸收和光散射之間找到平衡。表面粗糙度同樣會(huì)對(duì)光吸收性能產(chǎn)生影響。表面粗糙度較大的薄膜，表面存在較多的起伏和缺陷，這些會(huì)導(dǎo)致光的散射增強(qiáng)。當(dāng)光照射到粗糙表面時(shí)，會(huì)發(fā)生漫反射和散射，使得光在薄膜內(nèi)部的傳播方向變得無(wú)序，增加了光與薄膜材料的相互作用機(jī)會(huì)，從而提高了光的吸收效率。但是，過(guò)大的表面粗糙度也會(huì)導(dǎo)致光的反射損失增加，降低光的入射效率，進(jìn)而影響光吸收性能。當(dāng)表面粗糙度超過(guò)一定閾值時(shí)，光的反射損失可能會(huì)超過(guò)光吸收的增加，導(dǎo)致整體光吸收性能下降。在光發(fā)射性能方面，晶粒尺寸和晶界同樣起著重要作用。較小的晶粒尺寸會(huì)增加晶界的數(shù)量，晶界處的缺陷和懸掛鍵可以作為非輻射復(fù)合中心，促進(jìn)電子-空穴對(duì)的非輻射復(fù)合，降低光發(fā)射效率。研究表明，當(dāng)晶粒尺寸減小到一定程度時(shí)，光發(fā)射效率可能會(huì)降低50%以上。而較大的晶粒尺寸則有利于減少晶界數(shù)量，降低非輻射復(fù)合幾率，提高光發(fā)射效率。晶界處的缺陷還可能引入新的發(fā)光中心，改變光發(fā)射的波長(zhǎng)和強(qiáng)度。一些晶界缺陷可能會(huì)形成雜質(zhì)能級(jí)，這些能級(jí)可以作為發(fā)光中心，在不同的波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。在某些情況下，晶界處的缺陷發(fā)光可能會(huì)掩蓋本征發(fā)光，影響薄膜的發(fā)光特性。表面粗糙度也會(huì)對(duì)光發(fā)射性能產(chǎn)生影響。表面粗糙度較大的薄膜，表面的起伏和缺陷會(huì)導(dǎo)致光的散射和折射，使得光發(fā)射的方向性變差，發(fā)光強(qiáng)度降低。因此，為了獲得高發(fā)光效率和良好發(fā)光特性的(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜，需要優(yōu)化薄膜的形貌，控制晶粒尺寸和晶界數(shù)量，降低表面粗糙度。五、(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的性能研究5.1電學(xué)性能5.1.1載流子濃度與遷移率載流子濃度和遷移率是衡量半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜而言，其數(shù)值的變化直接反映了共摻雜對(duì)薄膜電學(xué)性質(zhì)的深刻影響。通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)試，可以精確地測(cè)量出不同Mg、Co摻雜濃度及比例下薄膜的載流子濃度和遷移率。當(dāng)Mg單獨(dú)摻雜ZnO薄膜時(shí)，隨著Mg摻雜濃度的增加，薄膜的載流子濃度呈現(xiàn)出先略微增加后逐漸降低的趨勢(shì)。在低濃度Mg摻雜時(shí)，少量的Mg原子取代Zn原子進(jìn)入晶格，由于Mg的電負(fù)性與Zn不同，會(huì)導(dǎo)致晶格局部電荷分布發(fā)生變化，產(chǎn)生一些淺施主能級(jí)，從而提供額外的電子，使得載流子濃度略有增加。當(dāng)Mg摻雜濃度進(jìn)一步提高時(shí)，過(guò)多的Mg原子引入會(huì)導(dǎo)致晶格畸變加劇，形成更多的缺陷能級(jí)，這些缺陷能級(jí)可能會(huì)捕獲電子，從而降低載流子濃度。在Co單獨(dú)摻雜的情況下，載流子濃度的變化則更為復(fù)雜。低濃度Co摻雜時(shí)，Co原子的3d電子與周圍原子的電子相互作用，可能會(huì)引入一些新的電子態(tài)，增加載流子濃度。隨著Co摻雜濃度的升高，Co原子之間的相互作用增強(qiáng)，可能會(huì)形成一些團(tuán)簇或雜質(zhì)相，這些團(tuán)簇或雜質(zhì)相可能會(huì)阻礙載流子的傳輸，同時(shí)也會(huì)捕獲電子，導(dǎo)致載流子濃度下降。在(Mg,Co)共摻雜體系中，Mg和Co之間存在著明顯的協(xié)同作用。當(dāng)Mg和Co的摻雜比例適當(dāng)時(shí)，如Mg含量為x，Co含量為y（x+y為固定值），在一定范圍內(nèi)，共摻雜薄膜的載流子濃度會(huì)高于單獨(dú)摻雜時(shí)的載流子濃度。這是因?yàn)镸g和Co的協(xié)同作用可能會(huì)優(yōu)化薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，減少缺陷的產(chǎn)生，同時(shí)引入新的淺施主能級(jí)，從而增加載流子濃度。當(dāng)摻雜比例超出一定范圍時(shí)，共摻雜薄膜中的缺陷濃度增加，載流子的散射幾率增大，導(dǎo)致載流子濃度降低。在遷移率方面，(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的遷移率同樣受到Mg和Co摻雜濃度及比例的顯著影響。隨著Mg摻雜濃度的增加，薄膜的遷移率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)镸g摻雜引起的晶格畸變和缺陷增加，會(huì)對(duì)載流子產(chǎn)生更強(qiáng)的散射作用，阻礙載流子的運(yùn)動(dòng)，從而降低遷移率。Co摻雜對(duì)遷移率的影響則較為復(fù)雜，低濃度Co摻雜時(shí)，可能會(huì)改善薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，減少晶格缺陷，從而在一定程度上提高遷移率。隨著Co摻雜濃度的進(jìn)一步增加，Co原子形成的團(tuán)簇或雜質(zhì)相會(huì)增加載流子的散射中心，導(dǎo)致遷移率下降。在(Mg,Co)共摻雜體系中，遷移率的變化取決于Mg和Co的協(xié)同作用。當(dāng)Mg和Co的摻雜比例合適時(shí)，共摻雜薄膜的遷移率可能會(huì)高于單獨(dú)摻雜時(shí)的遷移率。在這種情況下，Mg和Co的協(xié)同作用可能會(huì)優(yōu)化薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，減少缺陷和雜質(zhì)相的形成，降低載流子的散射幾率，從而提高遷移率。當(dāng)摻雜比例不合理時(shí)，共摻雜薄膜中的缺陷和雜質(zhì)相增多，載流子的散射作用增強(qiáng)，遷移率會(huì)顯著下降。5.1.2電阻率的變化薄膜的電阻率是反映其導(dǎo)電性能的重要指標(biāo)，它與載流子濃度和遷移率密切相關(guān)，三者之間滿足關(guān)系式\rho=\frac{1}{ne\mu}，其中\(zhòng)rho為電阻率，n為載流子濃度，e為電子電荷量，\mu為遷移率。對(duì)于(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜，摻雜濃度和制備條件對(duì)其電阻率有著顯著的影響。隨著Mg摻雜濃度的增加，(Mg,Co)共摻雜ZnO薄膜的電阻率呈現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢(shì)。在低濃度Mg摻雜時(shí)，如Mg的原子百分比在0-5%范圍內(nèi)，由于Mg原子取代Zn原子進(jìn)入晶格，引入了淺施主能級(jí)，提供了額外的電子，使得載流子濃度增加，根據(jù)上述電阻率公式，載流子濃度的增加會(huì)導(dǎo)致電阻率降低。當(dāng)Mg摻雜濃度進(jìn)一步增加，超過(guò)一定閾值，如Mg的原子百分比大于5%時(shí)，過(guò)多的Mg原子導(dǎo)致晶格畸變加劇，缺陷增多，這些缺陷對(duì)載流子的散射作用增強(qiáng)，遷移率降低，同時(shí)載流子濃度也可能因缺陷的捕獲作用而下降，綜合作用下使得電阻率升高。Co摻雜對(duì)薄膜電阻率的影響也較為復(fù)雜。在低濃度Co摻雜時(shí)，如Co的原子百分比在0-3%范圍內(nèi)，Co原子的3d電子與周圍原子的相互作用可能會(huì)改善薄膜的電子結(jié)構(gòu)，增加載流子濃度，同時(shí)在一定程度上優(yōu)化薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，減少晶格缺陷，提高遷移率，從而使電阻率降低。當(dāng)Co摻雜濃度過(guò)高，如Co的原子百分比大于3%時(shí)，Co原子容易形成團(tuán)簇或雜質(zhì)相，這些團(tuán)簇或雜質(zhì)相會(huì)成為載流子的散射中心，阻礙載流子的傳輸，同時(shí)也可能捕獲電子，降低載流子濃度，導(dǎo)致電阻率升高。在(Mg,Co)共摻雜體系中，當(dāng)Mg和Co的摻雜比例適當(dāng)時(shí)，如Mg原子百分比為3%，Co原子百分比為1%，共摻雜薄膜的電阻率可能會(huì)低于單獨(dú)摻雜時(shí)的電阻率。這是因?yàn)楹线m的摻雜比例下，Mg和Co的協(xié)同作用能夠優(yōu)化薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，既增加載流子濃度，又提高遷移率，從而降低電阻率。當(dāng)摻雜比例不合理時(shí)，共摻雜薄膜中的缺陷和雜質(zhì)相增多，載流子的散射作用增強(qiáng)，載流子濃度和遷移率下降，導(dǎo)致電阻率升高。制備條件對(duì)薄膜電阻率同樣有著重要影響。在脈沖激光沉積制備過(guò)程中，襯底溫度的升高有助于提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少缺陷，從而降低電阻率。當(dāng)襯底溫度從300℃升高到400℃時(shí)，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量得到改善，晶格缺陷減少，載流子遷移率提高，電阻率降低。氧分壓的變化也會(huì)影響薄膜的電阻率。適當(dāng)增加氧分壓可以減少薄膜中的氧空位等缺陷，改善薄膜的電學(xué)性能，降低電阻率。但過(guò)高的氧分壓可能會(huì)導(dǎo)致薄膜中形成過(guò)氧化物等雜質(zhì)相，反而增加電阻率。5.2光學(xué)性能5.2.1光吸收特性利用紫外-